[发明专利]基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨方法

权利要求书

1.一种基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨方法，其特征在于：具体实现步骤如下，

步骤1：将光学导航相机固连在探测器上，当探测器进入巡航段之后或在以太阳为中心的环绕轨道上时，通过光学导航相机捕捉到目标天体，获得探测器对目标天体的测角信息(赤经β，赤纬ε)用于步骤3中解算出目标天体的位置和速度信息；

步骤2：在日心黄道惯性坐标系下建立目标天体的轨道动力学方程；

在日心惯性坐标系下，目标天体状态X包括位置矢量r＝[x,y,z]^T、速度矢量v=[vx,vy,vz]T=[x.,y.,z.]T;]]>目标天体的轨道动力学方程X.=f(X)]]>为：

r.=v]]>

r..=-μsr3+Σi=1npμi[rrirri3-rpirpi3]-AGmr3r+fa---(1)]]>

其中，r和v分别为目标天体在日心黄道惯性坐标系的位置和速度矢量，且r＝||r||，r_pi为第i个摄动行星在日心黄道惯性坐标系的位置矢量，且r_pi＝||r_pi||，r_ri为第i个摄动天体相对目标天体的位置矢量，即r_ri＝r_pi-r且r_ri＝||r_ri||，μ_s＝1.327178×10²⁰m³/s²为太阳引力常数，μ_i为第i个摄动天体的引力常数，n_p为摄动天体的个数，A为目标天体的有效面积，m为目标天体质量，G为日光流量常数，f_a为目标天体受到的未考虑到的摄动加速度；

在式(1)的第二式中，右边第一项是中心天体太阳引力引起的加速度，第二项是第三体引力加速度的总和，第三项是太阳光压，最后一项表示作用在目标天体上的其它附加加速度；对于初定轨问题，仅考虑二体运动，即仅考虑式(1)第二式的第一项；式(1)用于轨道递推，并根据拉格朗日级数公式得到步骤3中的f,g级数；

步骤3：利用步骤1解算出的目标天体角位置信息以及已知的探测器轨道参数信息建立探测器自主初定轨的观测条件方程组；

设探测器对目标天体的测角信息(赤经β，赤纬ε)为：t_i，β_i，ε_i,(i＝1,2,…,m)，m为观测次数，探测器的位置矢量为R_i(X_i,Y_i,Z_i),则历元t_i探测器对目标天体视线的方向余弦为：

a_i＝cosε_i cosβ_i

b_i＝cosε_i sinβ_i               (2)

c_i＝sinε_i

探测器对目标天体初定轨的观测条件方程组为：

F(X_T0)＝M(X_T0,t₀,t)＝0           (3)

其中，M(XT0,t0,t)=c1X1-a1Z1c1Y1-b1Z1...cmXm-amZmcmYm-bmZm-f1c1x0-f1a1z0+g1c1x.0-g1a1z.0f1c1y0-f1b1z0+g1c1y.0-g1b1z.0...fmcmx0-fmamz0+gmcmx.0-gmamz.0fmcmy0-fmbmz0+gmcmy.0-gmbmz.0,]]>XT0=[r0,v0]T=[x0,y0,z0,x.0,y.0,z.0]T]]>为目标天体在历元t₀的状态矢量，为历元ti目标天体相对探测器的的单位视线矢量，f_i和g_i为历元t_i目标天体f,g级数公式的系数，f_i＝1-a(1-cos△E_i)/r₀，gi=a·r0sinΔEi+a(r0r.0)(1-cosΔEi)=Δt-(ΔEi-sinΔEi)/n,]]>r₀＝||r₀||为目标天体到太阳的距离，a为目标天体的轨道半长轴，△E为观测时刻与参考时刻的真近心点角之差，为目标天体的平均角速度；

步骤4：利用牛顿同伦路径跟踪算法解算目标天体轨道要素信息，实现基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨；

根据步骤2中的观测条件方程组，构造牛顿同伦方程组：

H(t,X)＝F(X)+(t-1)F(X_T0)＝0        (4)

式(5)同伦方程组的解X＝X(t)，等价于求解微分方程组：

∂H(t(s),X(s))∂X·∂X(s)∂s+∂tH(t(s),X(s))∂t·∂t(s)∂s=0(t(0),X(0))=(0,XT0)---(5)]]>

其中，从点(0,X_T0)出发的同伦路径曲线为λ(s)＝(t(s),X(s))，0≤s≤s₀，λ(0)＝(t(0),X(0))＝(0,X_T0)，s为弧长参数；

以弧长s为参数描述同伦路径曲线，定义该曲线的切向量它满足：

∂H(λ)∂λ·υ=0||v||2=1---(6)]]>

求解线性方程组(6)得到两个方向相反的切向量，选取其中一个切向量作为当前路径点的切向量，选取条件为：与上一路径点切向量的夹角小于90°；实现从初始点(0,X_T0)到同伦方程组的解X＝X(t)所对应的路径跟踪终点(1,X)，从而解算出目标天体的位置和速度矢量，进而得到目标天体的轨道要素信息，实现基于天基自主光学观测的深空目标天体初定轨。